【TACD模拟】质子辐照对GaN器件临界电压增加的影响机制

2013 年，佛罗里达大学的 Erin Patrick 等人基于 TRIM 和 FLOODS 模型，研究了质子辐照对 AlGaN/GaN HEMTs 的影响。研究背景方面，AlGaN/GaN HEMTs 因其宽禁带、高击穿场、高电子迁移率以及优秀的热管理能力，在商业和军事领域应用前景广阔，但长期可靠性仍是问题，尤其是栅极边缘的坑状缺陷会导致器件性能显著退化，而质子辐照后临界电压增加，似乎缓解了坑状缺陷形成，该研究旨在探索这一现象背后的物理机制。

研究方法上，包括实验与仿真。实验中，在韩国放射线与医学科学研究所利用回旋加速器进行质子辐照，使 HEMTs 受到不同注量质子照射，通过霍尔测量等获取器件的迁移率、载流子浓度等参数。仿真方面，采用 FLOODS TCAD 有限元求解器求解泊松方程和连续性方程来模拟器件电学性能，利用 TRIM 程序估算质子辐照产生的陷阱密度，将陷阱浓度添加到泊松方程中模拟辐照效应，并模拟了不同情况下的器件结构，如考虑 GaN 缓冲层中负电荷陷阱、氮化物 /AlGaN 界面处负电荷陷阱等对器件电场分布及 I-V 特性的影响。

实验结果显示，不同注量质子辐照后，HEMT 样品的临界电压增加，同时载流子浓度降低、迁移率下降、接触电阻增加、阈值电压正向偏移。在陷阱密度估算中，考虑了位移相关的点缺陷是影响器件性能的主要机制，但由于不同文献对 Ga、N 空位的阈值位移能量等参数说法不一，存在一定不